趙 龍，李海龍

(山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦)

引 言

地下采場空間環(huán)境生成往往較為復(fù)雜，傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)使得工程技術(shù)人員不能直接獲取巷道系統(tǒng)的空間分布特征。為了在地下采場開采時(shí)獲得完整的采場空間環(huán)境，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。江記洲等[1]根據(jù)地下金屬礦山巷道的空間立體幾何特征，采用圓柱面投影的方法將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用三角剖分的方法建立穩(wěn)定可靠的三角網(wǎng)及二三維點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系，并針對國內(nèi)地下礦山的巷道開展了三維激光掃描和三維重建試驗(yàn)，對巷道的三維模型成功進(jìn)行了實(shí)體模型重建,相較于傳統(tǒng)的三維建模方式，該種方法對巷道空間三維環(huán)境再現(xiàn)的精準(zhǔn)率得到了極大的提高。李學(xué)軍等[2]提出了基于Supermap平臺開發(fā)采礦巷道三維可視化系統(tǒng)的各項(xiàng)功能模塊和具體的操作方法，達(dá)到了理想的使用效果；靳德武等[3]通過采集各種地質(zhì)動(dòng)態(tài)信息，構(gòu)建了可視化的采場結(jié)構(gòu)三維充水模型，最終應(yīng)用在采場底板突水監(jiān)測預(yù)警工作中，為井下水害防治提供了新的解決思路；石信肖等[4]使用三維激光掃描儀獲取煤礦巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維精細(xì)化模型建立，研究了狹長型海量巷道點(diǎn)云數(shù)據(jù)精細(xì)建模問題，借助某煤礦點(diǎn)云數(shù)據(jù)驗(yàn)證了三維激光技術(shù)在巷道建模的可行性，為數(shù)字化礦山建設(shè)提供了精細(xì)化三維可視化模型。

在地下采場中，地應(yīng)力隨著開采深度的增大逐步增高且變得越來越復(fù)雜。高地應(yīng)力導(dǎo)致的井下安全作業(yè)問題也日益凸顯，而對于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的情況，則有可能出現(xiàn)巖爆、冒頂、片幫等安全事故。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對深部金屬礦開采物理環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。徐文全等[5]為研究礦山采動(dòng)空間圍巖應(yīng)力演化規(guī)律及其導(dǎo)致煤巖失穩(wěn)問題，基于靜水壓原理開發(fā)了采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測傳感裝置，通過現(xiàn)場采動(dòng)應(yīng)力實(shí)測，實(shí)時(shí)獲取工作面煤巖體采動(dòng)應(yīng)力變化趨勢，為采場安全作業(yè)提供保障；FILIPPO等[6]通過光纖布拉格光柵(FBG)傳感器研發(fā)了光纖傳感系統(tǒng)來監(jiān)測試件的變化情況，以精準(zhǔn)監(jiān)測鋼筋拱頂。張宇等[7-8]將光纖光柵傳感器用于硐室圍巖變形(應(yīng)變)監(jiān)測，光纖光柵傳感器具有更高的可靠性和連續(xù)性，采場環(huán)境感知效果好，驗(yàn)證了光纖光柵傳感器在深部地下采場內(nèi)監(jiān)測的可靠性。

山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦(下稱“三山島金礦”)位于山東省萊州市，目前采用規(guī)?；療o人采礦技術(shù)，為了保障開采設(shè)備在采場內(nèi)安全作業(yè)，開展了地下采場環(huán)境生成及預(yù)測研究，以期為礦山安全高效開采提供技術(shù)支撐。

1 三山島金礦試驗(yàn)采場開采設(shè)計(jì)

地下金屬礦規(guī)?；療o人采礦技術(shù)示范區(qū)選取地點(diǎn)為三山島金礦西山礦區(qū)西南翼-630 m到-645 m分段水平，試驗(yàn)采場范圍1440勘探線—1520勘探線。為滿足三山島金礦的生產(chǎn)需求和示范區(qū)安全作業(yè)的要求，針對規(guī)模化無人開采工藝和開采裝備的特點(diǎn)，在開采過程中使用智能開采裝備鑿巖、裝藥，智能裝藥車完成炮孔裝藥作業(yè)后，利用井下的無線起爆網(wǎng)絡(luò)在地面集控進(jìn)行遙控起爆，采用下向中深孔落礦嗣后充填連續(xù)采礦法開采(見圖1)。集群開采工藝示范區(qū)布置在-645 m分段，在-645 m分段內(nèi)沿礦體走向布置試驗(yàn)采場。采場礦體傾角45°，平均水平厚度15 m，炮孔采用下向扇形中深孔布置，傾角50°。礦房垂直礦體走向布置，寬8 m，高15 m，長度為礦體水平厚度。

圖1 下向中深孔落礦嗣后充填連續(xù)采礦法示意圖

1)采準(zhǔn)工程布置。在-630 m分段水平，主斜坡道聯(lián)絡(luò)道處(已充填工程端部)掘進(jìn)平巷至礦體端部，作為新的沿脈巷道，在沿脈巷道內(nèi)掘進(jìn)穿脈巷道貫通礦體，為下階段施工做準(zhǔn)備。在-645 m分段水平，在現(xiàn)有沿脈平巷內(nèi)向礦體側(cè)掘進(jìn)平巷，縮短礦體與沿脈巷道的距離，沿礦體走向掘進(jìn)新的沿脈巷道，減少后續(xù)出礦穿的工程量。

2)切割工程。切割工程由底部中段在礦體上盤沿礦體傾角掘進(jìn)切割天井，先以礦房端部切割天井為初始自由面爆破形成切割槽，為后續(xù)爆破工作提供自由面。采場初步爆破完成后，出礦后的采空區(qū)即為該采場后續(xù)爆破的自由面。

3)鑿巖爆破及出礦。使用智能鑿巖臺車在-630 m分段以下向50°傾角鉆鑿扇形炮孔，待切割天井施工完畢，即可進(jìn)行試驗(yàn)采場爆破、出礦工作。出礦工作在-645 m分段水平出礦穿中進(jìn)行，每次崩落的礦石由智能鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)至10號溜井，溜井口配置有固定破碎機(jī)，可通過破碎機(jī)自主作業(yè)系統(tǒng)對大塊礦石進(jìn)行二次破碎。

4)回采順序。試驗(yàn)采場回采順序采用“隔一采一”的方式，即將礦塊劃分為一步采礦房和二步采礦柱，先采一步驟礦房，再回采二步驟間柱和頂柱。由-630 m分段沿脈巷道進(jìn)入礦體開采區(qū)域，每隔一個(gè)礦房即可進(jìn)行一個(gè)工作面的開采，先對一號礦房進(jìn)行回采，礦房開采完畢，架設(shè)隔板，由-630 m分段對礦房進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填，待充填體達(dá)到一定的強(qiáng)度后，再對二號礦房進(jìn)行開采，后續(xù)再進(jìn)行充填作業(yè)，保證采場頂板的穩(wěn)定性。

2 三山島金礦試驗(yàn)采場空間環(huán)境生成

2.1 試驗(yàn)采場空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

針對-645 m分段試驗(yàn)采區(qū)內(nèi)采場空間環(huán)境的生成方法，主要采用三維激光掃描進(jìn)行采場三維空間數(shù)據(jù)的獲取[9]，采集工作主要包括設(shè)站點(diǎn)選擇、儀器架設(shè)、參數(shù)設(shè)定等。本次掃描采用的三維激光掃描儀型號為徠卡P40，具體參數(shù)見表1，其外觀見圖2。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時(shí)主要設(shè)站點(diǎn)位于穿脈巷道與分段平巷的交界點(diǎn)，對于穿脈巷道中三維激光覆蓋不到的點(diǎn)，則深入到穿脈巷道與回采巷道交界點(diǎn)進(jìn)行掃描。由于巷道內(nèi)實(shí)施掃描工作較地面環(huán)境更為狹小，在巷道走向上容易出現(xiàn)突出巖塊遮擋激光的現(xiàn)象，造成空間環(huán)境感知不夠完整的現(xiàn)象，針對此種可能發(fā)生的情況，在穿脈巷道和回采巷道內(nèi)每隔5 m設(shè)置一個(gè)設(shè)站點(diǎn)，盡量使巷道內(nèi)的點(diǎn)都被掃描到，具體設(shè)站點(diǎn)布置見圖3。

圖3 試驗(yàn)采場三維激光掃描儀設(shè)站點(diǎn)布置示意圖

2.2 試驗(yàn)采場空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在獲取過程中會(huì)受到多種外界因素如被掃描物體表面的干濕程度、風(fēng)力和風(fēng)向、施工粉塵、移動(dòng)的車輛、人員等的影響，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生噪點(diǎn)，需要在后期數(shù)據(jù)處理中剔除噪點(diǎn)。同時(shí)多區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也是后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作的重要內(nèi)容。因此，三維激光掃描獲得的現(xiàn)場三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡、紋理映射及巖體表面形態(tài)提取等?？臻g環(huán)境生成時(shí)還要對掃描區(qū)域內(nèi)的各類屬性要素進(jìn)行識別提取，對無法分辨或判識不確定的，需要按先外后內(nèi)進(jìn)行調(diào)繪。

在凸起或凹陷物體的臨界邊緣，激光觸碰到目標(biāo)體后可能會(huì)接收到2個(gè)甚至更多的反射信號。在實(shí)際掃描過程中，由于巷道圍巖對激光的反射性較弱，而巷道中管線及其他設(shè)施材料對激光的反射性較強(qiáng)，因此會(huì)導(dǎo)致某些部位掃描回來的點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的厚度積累甚至偏離物體表面。對于這種非實(shí)體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用人工交互方法時(shí)則不容易剔除，針對該種情況，選擇采用算法自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的局部降噪，這里主要采用由Abdul Nurunnabi等提出的MCMD-Z自動(dòng)降噪算法，算法具體步驟為：

輸入：Npi點(diǎn)pi的鄰域點(diǎn)集，個(gè)數(shù)記為k。

輸出：點(diǎn)pi的鄰域點(diǎn)集中正常點(diǎn)索引和異常點(diǎn)索引。

(1)

步驟2：遍歷點(diǎn)pi的鄰域點(diǎn)集中的所有點(diǎn)，計(jì)算出各自到擬合平面的正交距離OD。

(2)

步驟3：計(jì)算所有鄰域內(nèi)點(diǎn)的Rz-score。

j=1,2,…,k

(3)

式中:medianm=1,2,…,k(ODm)為求取鄰域內(nèi)所有點(diǎn)OD值的中值;MAD(OD)=1.483medianm=1,2,…,k(ODm)|ODj-medianm=1,2,…,k(ODm)|。

步驟4：逐個(gè)遍歷鄰域內(nèi)所有點(diǎn)，判斷各自Rz-score是否小于2.5，如果小于，則為正常點(diǎn)，否則為異常點(diǎn)，分別對應(yīng)存儲(chǔ)點(diǎn)索引到對應(yīng)容器中。

使用MCMD-Z自動(dòng)降噪算法處理完畢的巷道三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)表現(xiàn)形態(tài)見圖4。

圖4 試驗(yàn)采場空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后圖像

3 三山島金礦試驗(yàn)采場物理環(huán)境生成

3.1 試驗(yàn)采場物理環(huán)境感知裝置

為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地感知試驗(yàn)采場在回采過程中采場圍巖的應(yīng)力、位移、滲壓等物理環(huán)境數(shù)據(jù)變化情況，實(shí)現(xiàn)開采裝備作業(yè)過程中采場物理環(huán)境的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測，研制了一套采場物理環(huán)境感知裝置。選取精度高、性能良好的光纖光柵傳感器用于實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)采場的應(yīng)力、位移、滲壓等物理環(huán)境數(shù)據(jù)[10-12]，為試驗(yàn)采場回采過程中開采裝備的安全作業(yè)提供采場物理環(huán)境實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)。采場物理環(huán)境感知精度可達(dá)到99 %以上。采場物理環(huán)境感知裝置和光纖光柵傳感器見圖5。

圖5 采場物理環(huán)境感知裝置與光纖光柵傳感器

3.2 試驗(yàn)采場光纖光柵傳感器安裝

根據(jù)-645 m分段開采示范區(qū)巖體的物理力學(xué)特性，利用Flac3D軟件對試驗(yàn)采場進(jìn)行三維建模，并對試驗(yàn)采場采礦設(shè)計(jì)回采過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到巷道內(nèi)部位移、應(yīng)變等物理環(huán)境變化情況(見圖6)。通過對模擬結(jié)果分析得出，在回采過程中采場圍巖的最大主應(yīng)力和最大位移主要出現(xiàn)在頂板位置。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場試驗(yàn)條件，確定試驗(yàn)采場內(nèi)物理環(huán)境數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的最佳布置方案。

圖6 數(shù)值模擬回采過程巷道內(nèi)部物理環(huán)境

在試驗(yàn)采場開始回采前，利用鑿巖臺車完成光纖光柵傳感器布置孔的鉆孔作業(yè)(見圖7)。在傳感器布置孔鉆孔作業(yè)完成后立即進(jìn)行光纖光柵傳感器的安裝作業(yè)(見圖8)，并對安裝后的傳感器工作狀態(tài)進(jìn)行測試，測試正常之后進(jìn)行傳感器布置孔的注漿作業(yè)，在注漿完成后開始對采場的物理環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和儲(chǔ)存[13-16]。

圖7 鑿巖臺車鉆孔作業(yè)現(xiàn)場

圖8 傳感器安裝作業(yè)現(xiàn)場

3.3 試驗(yàn)采場物理環(huán)境數(shù)據(jù)采集

在光纖光柵傳感器安裝完成后，利用采場物理環(huán)境感知裝置對采場的物理環(huán)境參數(shù)(位移、應(yīng)變、滲壓等)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。物理環(huán)境感知裝置的測量頻率10 Hz，8個(gè)測量通道，每個(gè)通道最多可掛載17個(gè)傳感器，工作電壓220 V，功耗10 W。使用時(shí)，先將光纖光柵傳感器通過光纖與環(huán)境感知裝置連接，然后使用網(wǎng)線將環(huán)境感知裝置與電腦連接，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)采場物理環(huán)境變化的可視化。在試驗(yàn)采場開始回采時(shí)通過采場環(huán)境感知裝置，可以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)采場回采過程中采場圍巖的位移、應(yīng)變、滲壓等各項(xiàng)物理環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和儲(chǔ)存(見圖9)。

圖9 采場物理環(huán)境數(shù)據(jù)采集

4 三山島金礦試驗(yàn)采場物理環(huán)境預(yù)測研究

由于回采巷道與采場內(nèi)的物理環(huán)境隨礦石的采出進(jìn)度、開采深度、巷道斷面尺寸和礦巖性質(zhì)等因素影響呈現(xiàn)規(guī)律性分布，可通過一部分已經(jīng)回采采場監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化特征，預(yù)測相鄰采場物理環(huán)境變化。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性關(guān)系預(yù)測領(lǐng)域有著十分明顯的優(yōu)勢[17]，因此選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立采場物理環(huán)境預(yù)測模型。

4.1 預(yù)測模型構(gòu)建

根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性，試驗(yàn)采場物理環(huán)境預(yù)測模型的訓(xùn)練主要包含以下幾個(gè)步驟：

1)確定初始連接權(quán)值、層與層節(jié)點(diǎn)之間閾值。

2)對訓(xùn)練集和測試集進(jìn)行歸一化處理。

3)選擇遞推函數(shù)，迭代計(jì)算各層輸出值。

4)定義目標(biāo)精度，迭代出符合精度的結(jié)果。

5)若迭代不收斂，則改變步驟1)后重復(fù)計(jì)算。

本文采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型主要包含輸入層、隱含層和輸出層。研究表明，當(dāng)隱含層為一層時(shí)已經(jīng)有較好的非線性映射效果[18]，但為保證足夠的預(yù)測精度和較快的計(jì)算速度，本文采用隱含層層數(shù)為2的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)傳遞選用S型傳遞函數(shù)(見式(4))和逆向傳播誤差函數(shù)(見式(5))不斷調(diào)節(jié)閾值和網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，并最終使誤差函數(shù)F達(dá)到期望值。

(4)

(5)

式中：x為激活層的輸入；f(x)為激活層的輸出；ti為期望輸出；Oi為網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算輸出；n為輸出解的個(gè)數(shù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層包括到工作面距離l、巷道斷面面積S、回采進(jìn)度t、監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)、埋深h、巖石變形參數(shù)(彈性模量E、泊松比v)、巖石強(qiáng)度參數(shù)(抗壓強(qiáng)度σc、抗拉強(qiáng)度σt、內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ)等輸入變量；輸出層包括應(yīng)力σ和位移u等輸出變量。

4.2 預(yù)測模型訓(xùn)練

提取若干采場開采過程中各物理環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)；其中選取不同回采巷道斷面尺寸，不同開采深度，共500組數(shù)據(jù)。對500組數(shù)據(jù)集中訓(xùn)練，訓(xùn)練次數(shù)設(shè)定為2 000次，將訓(xùn)練集輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型得到試驗(yàn)采場臨近采場位移、應(yīng)變預(yù)測結(jié)果，見圖10、圖11。從圖10、圖11可以看出：現(xiàn)場監(jiān)測提取值與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測值基本擬合。應(yīng)力最大誤差為0.05 MPa，位移最大誤差為0.33 mm，與實(shí)際測量值誤差在5 %以內(nèi)。

圖10 實(shí)測位移與預(yù)測結(jié)果對比

圖11 實(shí)測應(yīng)力與預(yù)測結(jié)果對比

5 結(jié) 語

利用三維激光掃描儀對試驗(yàn)采場進(jìn)行掃描，然后通過對三維激光掃描獲得的現(xiàn)場三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡等處理，完成了試驗(yàn)采場的空間環(huán)境生成；并對采場物理環(huán)境生成方法進(jìn)行研究，利用Flac3D軟件對試驗(yàn)采場回采過程進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，確定回采過程應(yīng)力集中和位移較大的區(qū)域，在這些區(qū)域布置高精度的光纖光柵傳感器，利用性能穩(wěn)定的光纖將光纖光柵傳感器與研制的采場物理環(huán)境感知裝置連接，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)采場的位移、應(yīng)變、滲壓等物理環(huán)境數(shù)據(jù)；通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立試驗(yàn)采場物理環(huán)境預(yù)測模型，能夠快速預(yù)測臨近采場回采中的物理環(huán)境變化，對開采裝備的安全運(yùn)行和試驗(yàn)采場的安全生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。